Artículo Científico / Scientific Paper DOI: 10.17163.ings.n12.2014.08

Estudio teórico y experimental de la velocidad de deflagración laminar de una mezcla glp/gas de síntesis Lina Rubio Gaviria

1,∗

, Andrés Amell Arrieta2 ,

Camilo Echeverri Uribe3 y Hernando Yepes Tumay4

Resumen

Abstract

El crecimiento económico y poblacional ha llevado a Economic and population growth has led to an inun incremento en la demanda del sector energético, crease in demand from the energy sector, where condonde predomina el consumo de combustibles fósiles. sumption of fossil fuels predominates. For this reason, Por esta razón, se ha despertado el interés investiga- it has attracted research interest in finding alternativo en la búsqueda de combustibles alternativos que tive fuels to mitigate the dependence on fossil fuels, mitiguen la dependencia a los combustibles fósiles, provide energy value and reduce emissions of greenaporten valor energético y disminuyan las emisiones house gases. The synthesis gas is considered as the de gases de efecto invernadero. El gas de síntesis se ideal additive to form mixtures with fossil fuels. The considera como el aditivo idóneo para formar mez- literature reports various characterization studies C1clas con hidrocarburos fósiles. La literatura reporta C4/gas synthetic mixtures, results have not yet blends diferentes estudios de caracterización de mezclas C1- with GLP. This study focuses on the numerical and C4/gas de síntesis, donde aún no se tienen resultados experimental calculation of the laminar burning vede mezclas con GLP. El presente estudio se centra en locity for a mixture 50% C3 H8 -50% synthesis gas at el cálculo numérico y experimental de la velocidad de atmospheric conditions of 295 K and 0.849 bar. The deflagración laminar para una mezcla 50% C3 H8 -50% results contribute to the introduction of alternative gas de síntesis a condiciones atmosféricas de 295 K y fuels in the energy market from its characterizing in 0.849 bar. Los resultados obtenidos contribuyen a la terms of laminar burning velocity as an important introducción de combustibles alternativos en el mer- property in the operation and design in combustion cado energético a partir de la caracterización de estos equipment. en términos de velocidad de deflagración, propiedad influyente en la operación y diseño de equipos de combustión. Palabras clave: Estabilidad de llama, gas de síntesis, GLP, velocidad de deflagración laminar.

Keywords: Flame stability, laminar burning velocity, LPG, syngas.

1,∗

Ingeniera Química, Estudiante de Maestría en Ingeniería Énfasis Energética, Investigadora en Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia. Autor para correspondencia ): lina. [email protected] 2 Máster en Economía de la Energía y los Recursos Naturales – Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín, Ingeniero Mecánico, Docente Departamento de Ingeniería Mecánica, Investigador y Coordinador Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia. 3 Ingeniero Mecánico, Estudiante de Maestría en Ingeniería Énfasis Energética, Investigador en Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia. 4 Ingeniero Mecánico – Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín, Estudiante de Maestría en Ingeniería Énfasis Energética, Investigador en Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía – Universidad de Antioquia. Recibido: 07-10-2014, Aprobado tras revisión: 22-11-2014. Forma sugerida de citación: Rubio, L.; Amell, A.; Echeverri, C.; Yepes, H. (2014). “Estudio teórico y experimental de la velocidad de deflagración laminar de una mezcla glp/gas de síntesis ”. Ingenius. N.◦ 12, (Julio-Diciembre). pp. 62-67. ISSN: 1390-650X.

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Rubio et al. / Estudio teórico y experimental de la velocidad de deflagración laminar

1. Introducción Un estudio realizado por la Agencia Internacional de la Energía, (IEA: International Energy Agency), reveló que a partir de la demanda de energía primaria reportada en 2011, para el año 2035 se tendrá un crecimiento del 45%, donde se espera que la principal fuente de energía la ocupen los combustibles fósiles con una participación aproximada del 80% del mercado energético [1]. Con este panorama se sustentan desarrollos tecnológicos para generar nuevos combustibles confiables, que aprovechen los recursos disponibles, generen un impacto ambiental positivo y además contribuyan a atenuar las alzas en los precios de los energéticos convencionales y de alta demanda en el mercado, como lo es el caso del gas natural el cual está adquiriendo valor como materia prima y, además, proyecta un incremento en la demanda energética del 48% [1], [2].

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GLP (mezcla de propano y butano principalmente) resulta una opción viable, dado el alto índice Wobbe que presenta el GLP. Internacionalmente, el GLP se considera como una fuente de energía portable, limpia, eficiente y de fácil acceso para los consumidores en todo el mundo. Sus propiedades lo identifican como una fuente de energía versátil y confiable que puede ser usado en más de 1000 aplicaciones, donde su uso predomina en el sector doméstico, sin embargo, se está buscando potencializar su mercado en el sector industrial para la generación de energía y como energético alternativo en el sector transporte [7], [8].

La pertinencia de estas mezclas está en que la combustión de cada energético por separado todavía busca superar inconvenientes que se generan, ya sea de inestabilidades y bajo poder calorífico en el syngas o las emisiones contaminantes que surgen en la quema de hidrocarburos fósiles. Con estas mezclas se busca aprovechar el valor energético que proporciona El gas de síntesis (syngas) se considera como uno el propano así como la reactividad y la reducción en de los combustibles alternativos más prometedores en emisiones contaminantes que aporta el H2 como comla diversificación de fuentes de energía, dada la versa- ponente del syngas. tilidad que tiene en el aprovechamiento de diferentes La caracterización de este combustible alternativo materias primas para su producción. es de gran importancia, especialmente en términos de El gas de síntesis es producido por gasificación de materias primas carbonosas y es usado como combustible para la producción de electricidad o calor, o como materia prima para la producción de productos químicos. Estas fuentes de carbón pueden provenir de combustibles fósiles, biomasa o desechos orgánicos [2], [3], [4].

velocidad de deflagración como parámetro fundamental en llamas de premezcla para el diseño de equipos y dispositivos de combustión, desarrollar mecanismos cinético-químicos, predicciones de rendimiento, análisis de la combustión turbulenta, emisiones contaminantes y fenómenos relacionados con la estructura y estabilidad de la llama.

La diversidad en los procesos de producción, tiene como consecuencia una variabilidad en la composición del syngas, pero fundamentalmente se constituye por hidrógeno y monóxido de carbono, y diluyentes tales como el dióxido de carbono (CO2 ), nitrógeno (N2 ), agua y otras trazas de hidrocarburos [5]. El contenido energético dependerá de la composición del syngas obtenido y esta a su vez depende de la fuente de carbono usada en el proceso de gasificación y del posproceso de purificación que se le realice al syngas [2], [3], [4].

Los estudios de estas mezclas son poco comunes en la literatura, y la mayoría de estos están direccionados a mezclas en las que el hidrocarburo presente es el metano; sin embargo, se han realizado análisis comparativos entre hidrocarburos saturados C1-C4, los cuales revelan que cuando estos son mezclados con syngas, al incrementar el número de carbonos la velocidad de deflagración disminuye [9], [10].

Los gases de síntesis que se producen actualmente tienen un contenido energético menor al de los energéticos convencionales y de alta demanda en la industria, como lo es el gas natural. Lo anterior dificulta la introducción directa del gas de síntesis como combustible alternativo debido a que esta sustitución debe garantizar que la potencia de entrada al equipo de combustión se conserve, la combustión sea completa y estable, y que no se generen inconvenientes que comprometan la realización de ajustes en el equipo [6].

La composición de la mezcla se consolidó a partir de un análisis comparativo de su índice de Wobbe con respecto al del gas natural, de tal forma que este combustible alternativo pueda ser usado implementado como energético en equipos de combustión sin afectar su operación o modificar significativamente su diseño.

2. Materiales y métodos

A partir de lo anterior se planteó una mezcla de GLP/gas de síntesis en una proporción 50-50, donde el GLP se tomará como 100% propano [11] y se trabajara con una composición típica de gas de síntesis Para obtener contenidos energéticos comparables obtenido por la gasificación de biomasa reportada por a los del gas natural, la mezcla de gas síntesis con diferentes autores [12], [13]. Con el fin de simplificar la

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composición del gas de síntesis, esta se definirá como 40% de H2 , 40% CO y 20% CO2 .

La componente de la velocidad de la mezcla no quemada que es normal al frente de la llama es idéntica a la velocidad de combustión laminar, por lo tanto, SL En la Tabla 1 se muestra la composición de cada se calcula a partir de la siguiente expresión: combustible y de la mezcla de estudio y, además, se presenta el índice de Wobbe (W), el cual es un parámetro SL = U sin θ (1) que se utiliza muy a menudo para caracterizar la inDonde U es la velocidad promedio de la mezcla tercambiabilidad de un combustible, relacionando el no quemada. Este método se suele denominar como poder calorífico superior con la raíz cuadrada del peso el método del ángulo. Sin embargo, las velocidades específico del combustible. Con esta relación se puede locales varían a lo largo del frente de llama debido a comparar el contenido de calor de un combustible para los efectos de estiramiento de llama y a las pérdidas una configuración geométrica del inyector del quede calor, razón por la cual este método solo permite mador y presión de suministro. En la última columna obtener valores promedio. se muestra una relación de W para cada combustible con respecto al gas natural. El frente de llama se genera en un quemador de puerto rectangular de contorno curveado con una geo2.1. Metodología numérica metría de 9.4 x 29.8 mm. Con este quemador se garantizan números de Reynolds laminares, con el fin de obLa estimación numérica de la velocidad de deflagración tener un perfil de velocidades uniforme y que permita laminar se obtuvo a partir de la subrutina PREMIX lograr una imagen de llamas triangulares y definidas, del software CHEMKIN PRO. Esta rutina requiere para poder aplicar el método del ángulo. El quemador el uso de un mecanismo reaccional y un paquete de cuenta con un sistema de refrigeración por agua, el propiedades de transporte y térmicas, para esta mezcla cual se requiere para mantener a la premezcla a una se evaluaron dos mecanismos, el Grimech 3.0 [14], el temperatura constante. La composición de la mezcla se cual ha presentado resultados favorables para mezclas garantiza a partir de rotámetros calibrados específicade syngas [15], [16] y el de San Diego [17], el cual premente para cada uno de los gases usados para preparar senta un buen ajuste para mezclas H2 /CO/C3 H8 [9]. la mezcla combustible/aire. Las especificaciones del Para el mallado, perfil de temperatura inicial, banco de rotámetros y el quemador se definen detallapropiedades de transporte y difusión térmica se toman damente en la referencia [5]. las recomendaciones realizadas por otros autores en Los experimentos se llevaron a cabo a una atmósinvestigaciones previas [5], [15], [16], [17]. fera isotérmica de 295 ± 1 K a una altura 1550 m.s.n.m. con una presión de 0.849 bar. 2.2. Metodología experimental La Figura 2 muestra el montaje usado para la capLa velocidad de deflagración laminar se determinó tura de imágenes del frente de llama, el cual consta a partir de la técnica del quemador de llama estabi- de una cámara de ICCD (Intensified Charges Couple lizada usando el método del ángulo. El cual se describe Device) y un filtro que permite únicamente el paso de en la Figura 1. En cada punto del frente de llama la radiación UV emitida por radicales CH* y bloquea la combustión se transmite perpendicularmente, es- la radiación fuera de esta longitud de onda [15]. En tableciéndose un campo de velocidad de deflagración la Figura 3 se muestra un ejemplo de las imágenes distribuido a lo largo del frente de llama (ver Figura 1). obtenidas del frente de llama.

Figura 1. Método del ángulo para determinar la velocidad de deflagración [18].

Figura 2. Esquema montaje experimental [16].

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Tabla 1. Composición y comparación índice de Wobbe.

Gas

Composición simplificada

Gas Natural GLP

100% CH4 100% C3 H8 40%H2 Syngas 40% CO 20% CO2 Mezcla 50% C3 H8 50-50 GLP/syngas 20% H2 20% CO 10% CO2 *Con base al poder calorífico superior (kWh/m3 st ).

W (kWh/m3st )*

Wi /Wgas natural

140.894 21.706

1 15.405

31.484

0.2234

139.114

0.9873

A partir de esta comparación se observa como una sustitución del 50% del GLP por gas de síntesis, incrementa considerablemente la velocidad de deflagración, especialmente en condiciones de mezcla pobre, donde la velocidad se incrementa hasta en un 40% con respecto al GLP. Por otro lado, se observa como la adición de propano al gas de síntesis en condiciones de mezcla rica, reduce la velocidad de deflagración de este en un 5% aproximadamente.

Figura 3. Fotografía ICCD instantánea de la llama. Mezcla 50% C3 H8 50% gas de síntesis, dosado 0.9.

3. Resultados y discusión 3.1. Comparación de los datos experimentales con los numéricos

Figura 4. Resultados numéricos y experimentales para la

La Figura 4 muestra los resultados experimentales y mezcla 50 GLP/50 Gas de síntesis. numéricos de la velocidad de deflagración laminar de la mezcla estudiada, para condiciones atmosféricas de 295 K y 0.849 bar. Se observa como los resultados numéricos tienen un mejor ajuste al mecanismo cinético de San Diego, especialmente en condiciones de mezcla pobre donde el porcentaje de desviación no supera el 6%. 3.2. Efecto de la adición de gas de síntesis en la velocidad de deflagración laminar La Figura 5 muestra una comparación de los resultados experimentales de velocidad de deflagración obtenidos en el presente estudio, con respecto a resultados previos reportados por otros autores para el propano y Figura 5. Efecto de la adición de gas de síntesis en la el gas de síntesis de composición 40% H2 , 40% CO y velocidad de deflagración laminar. 20% CO2 .

66 4. Conclusiones Se realizaron mediciones experimentales de la velocidad de deflagración laminar para una mezcla GLP/gas de síntesis obtenido por la gasificación de biomasa, a partir del método del ángulo usando la técnica del quemador de llama estabilizada, a condiciones atmosféricas de 295 K y 0.849 bar. Se realizaron estimaciones numéricas usando dos mecanismos reaccionales, estos resultados se compararon con los obtenidos experimentalmente. Por último, se evaluó el efecto de la adición del syngas en la velocidad de deflagración. Los resultados obtenidos permiten hacer las siguientes afirmaciones: 1. El ajuste de los resultados numéricos a los experimentales muestra como el mecanismo de san Diego puede predecir de manera certera la velocidad de deflagración laminar para mezclas GLP/gas de síntesis a condiciones subatmosféricas, especialmente en la región de mezcla pobre.

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